Omgaan met de complexiteit van biomassa

Voor moleculair denkende wetenschappers zoals chemici en biotechnologen is het gebruik van biomassa voor energieproductie eigenlijk bijna een doodzonde. Het staat gelijk aan het simpel afbranden van een top meesterwerk. De leek heeft een soortgelijke emotie, maar een slag anders. Die vindt het gebruik van voedsel voor autobrandstof ethisch en moreel niet verantwoord. Voor een zinvolle discussie over toepassing van biomassa in onze toekomstige maatschappij is het van groot belang deze gevoelens beter te begrijpen en ze vooral bij elkaar te brengen.

Lignocellulose
Lignocellulose is het voornaamste bestanddeel van hout. Het bestaat uit rechte strengen cellulose, omgeven door gewonden strengen hemicellulose, en bijeen gehouden door lignine die als lijm functioneert.

Energie en moleculen
Met uitzondering van biomassa bestaan alle energiedragers uit eenvoudige moleculen. Soms is de structuur nog eenvoudiger: bij licht en elektriciteit is zelfs geen sprake meer van moleculen, warmte is slechts het trillen van moleculen. Bij energie uit wind en waterkracht gaat het om het bewegen van zeer eenvoudige moleculen zoals zuurstof met stikstof, of met een simpele formule als H2O. Ook bij fossiele energiedragers gaat het nog steeds om eenvoudige structuren. Steenkool is niet veel meer dan simpel koolstof dat je kunt verbranden tot koolzuur: C + O2  geeft CO2 en warmte (we gaan even voorbij aan verschijningsvormen van koolstof als diamant of grafeen). Bij schaliegas, aardgas en olie gaat het om eenvoudige combinaties van koolstof en waterstof, ofwel koolwaterstoffen. Bij verbranding met zuurstof leveren ze koolzuur, waterdamp en energie. Alleen biomassa, ongeacht de oorsprong (van plant, dier of mens) kent een gigantische moleculaire complexiteit. De complexiteit van leven. Bij fossiele energiebronnen is er natuurlijk wel een relatie met leven, het gaat immers om vroegere biomassa. Belangrijk punt van verschil is dat deze ‘oude biomassa’ zijn functie voor leven al lang en breed achter de rug heeft. Zo bezien is het alleszins begrijpelijk dat biotechnologen het gebruik van levende biomassa om de kachel te stoken als een doodzonde kunnen opvatten. Pas als de nood bijzonder hoog is gaan we over tot het verbranden van bomen of onze kostbare meubels, zoals in de hongerwinter of zoals nu in de Syrische burgeroorlog.

Simplistisch denken, egoïsme en reductionisme
Hoe komt het dan toch dat we zo hard werken aan biobrandstoffen, aan energiegewassen, aan thermische processen om bij voorbeeld olie uit hout te winnen? Waarom konden we niet wachten tot de zogeheten tweede-generatie processen gereed waren, waarmee we energie uit voedselafval of uit non-food biomassa, zoals stro of gras, kunnen winnen? Waarom kappen we maagdelijk oerwoud voor palmolieplantages, terwijl er voldoende grond braak ligt waar we veel ordelijker een plantage aan kunnen leggen? Was het angst dat we in de kou zouden komen te zitten of dat de klimaatveranderingen uit de hand zouden lopen? Deze argumenten zijn allemaal gebruikt, maar ze snijden geen hout. Er was maar één drijfveer: snel geld verdienen op de emotionele golven van vermeende dreigende tekorten aan olie en gas en nakende klimaatcatastrofes. Kortom: bangmakerij; geld verdienen op basis van angst is altijd de gemakkelijkste weg geweest.

atoommodel 1Toch is er ook een diepere oorzaak van deze ontwikkelingen. Vrijwel alle wetenschappers en technologen zijn opgeleid vanuit een sterk vereenvoudigd wereldbeeld (maatschappij, natuur, leven, heelal). In elke bèta-opleiding wordt gestart met aannames en modellen. De werkelijke wereld is te ingewikkeld om de jonge student ermee te confronteren; voor de professor is hij te moeilijk om uit te leggen. We reduceren de boel tot overzichtelijke, hapklare brokken.

Atoommodellen
Twee modellen van atomen. Beide modellen zijn vereenvoudigde benaderingen

Door combinatie hiervan tot ingewikkelde structuren en functies hopen we de werkelijkheid te benaderen of misschien wel een beetje te verbeteren. We moeten hier wel onmiddellijk aan toe voegen dat onze welvaart en gezondheid vrijwel geheel te danken zijn aan deze reductionistische, op logisch denken gebaseerde benadering. Ondertussen hebben we bijna vergeten dat de werkelijkheid steeds weer een slagje meer ingewikkeld is; het verbaast ons elke keer weer hoeveel we nog kunnen leren van de ingewikkeldheid van leven en natuur.

Groen, met een premie graag
De reflex om terug te grijpen op eenvoudige aannames en uitgangspunten is sterk. Een fraai voorbeeld is het gebruik van biomassa voor bouwstenen van de chemische industrie. De industrie zet biomassa bijvoorbeeld om in synthesegas (een mengsel van de zeer eenvoudige moleculen waterstof en koolmonoxide); en zij produceert ethyleen uit suiker via alcohol. Zo kunnen we nu vrijwel alle basisbouwstenen van de petrochemie gemakkelijk uit biomassa verkrijgen. Deze bouwstenen zijn identiek aan die uit olie, kolen of gas; we kunnen daardoor alle investeringen in volgchemie en toepassingen blijven benutten. Logisch en redelijk, met de kanttekening dat we de eindproducten wel graag groen noemen en daarvoor een premie willen vangen. We gaan voorbij aan het feit dat we zijn gestart met biomassa van een moleculaire complexiteit en functionaliteit waar we wellicht nog veel leukere dingen mee zouden kunnen doen. We blijven steken in ons lego spel.

Op zich is deze ontwikkeling niet fout, mits we beseffen dat dit een overgangsfase is naar het beter benutten van de intrinsieke mogelijkheden van biomassa. Interessant is in dit verband het onderzoek om olie te maken uit biomassa. De oorspronkelijke opzet, bio-olie direct gebruiken in bestaande petrochemische installaties, is mislukt. Bio-olie en aardolie zijn moleculair gezien relatief eenvoudige mengsels, en toch zó verschillend dat er steeds weer problemen opdoken in bestaande installaties. De zuurgraad was niet goed, het zuurstofgehalte paste niet, teveel residu enz. De les is tweeërlei: 1) gebruik van biomassa voor bestaande chemie of materialen is doenlijk zolang de bio-bouwsteen en het fossiele equivalent moleculair identiek zijn, en dit gebruik niet conflicteert met hoogwaardiger gebruik van de ingezette biomassa; en 2) indien de bio-bouwsteen niet identiek is, kunnen we beter uitgaan van de complexiteit van de biomassa, en van daaruit een nieuw of verbeterd product ontwikkelen.

Eiwit
Eiwitten functioneren alleen in een heel bepaalde ruimtelijke structuur. Als we hen afbreken tot onderdelen (peptiden of aminozuren) verliezen ze de functie die zij in het levende organisme vervullen.

Koks en boeren, meesters in het omgaan met complexiteit
Het is nu dus duidelijk waarom we zo slecht kunnen omgaan met de complexiteit en de veelheid aan mogelijke toepassingen van biomassa. We willen te snel rijk worden en te snel resultaat zien; we laten ons emotioneel misbruiken en zijn bovendien verkeerd opgeleid. Er zijn mensen die wél weten hoe zij de complexiteit van biomassa moeten hanteren. Denk aan koks en boeren. Zonder enig moleculair inzicht weet een kok heel goed wat te doen om smaak, mondgevoel, kleur of uiterlijk van de ingrediënten te manipuleren en een heerlijk gerecht voor te zetten. Moleculaire wetenschappers weten steeds beter uit te leggen wat de kok nu precies doet bij al zijn handelingen, maar de tijd dat diezelfde wetenschappers kookboeken voor een driesterren restaurant schrijven moet nog komen (alle benaderingen voor personalized nutrition te spijt). Boeren weten heel goed hoe ze hun vee of hun akker moeten gebruiken om tot een gezond en productief dier te komen en de oogst van hun akker te maximaliseren. Ook hier weten de wetenschappers steeds beter te laten zien wat het moleculaire geheim van de boer is.

Toch is het ingrijpen van de wetenschappers vaak nog  gebaseerd op reductionistisch denken. Het liefste zouden we toch willen redeneren en ingrijpen vanuit een volledig inzicht in de complexiteit van biomassa, van het leven. Je zou als het ware een foto willen maken van die complexiteit en op basis van kennis en kunde willen draaien aan enkele knoppen om de uitgangssituatie om te zetten in (de complexiteit van) het gewenste product.  Niet meer eerst reduceren tot enkele eenvoudige bouwstenen en dan weer opbouwen naar nieuwe complexiteit. Maar horizontaal oversteken, of beter nog, de bestaande complexiteit in een hogere complexiteit omzetten, met betere of nieuwe toepassingsmogelijkheden. De moderne biotechnologie gaat een eind in de goede richting.

Er zijn grote groepen jonge mensen die nog moeten beginnen te leren wat complexiteit is, en hoe ze ermee om kunnen gaan ten nutte van de maatschappij. De parallel met de toenemende complexiteit van onze samenleving is waarschijnlijk niet toevallig. De moderne ICT zal ons zeker kunnen helpen op de weg van reductionisme naar holisme.

(Visited 10 times, 1 visits today)

Plaats een reactie